DE2904861B2 - Piezoelectric liquid atomizer - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen FlüssigkeitszerstäuberThe invention relates to a piezoelectric liquid atomizer
— mit einem piezokeramischen Wandlerelement, das einen Biegeteller in Resonanz erregt, bei dem das Wandlerelement über ein Horn mit dem Biegeteller verbunden und das Horn mit dem Biegeteller axial am vorderen Ende eines Bolzens befestigt ist, der im Anschluß an das Horn eine halteplattenartige Erweiterung aufweist,- With a piezoceramic transducer element that a bending plate excited in resonance, in which the transducer element via a horn with the bending plate connected and the horn is attached to the bending plate axially at the front end of a bolt which is in the Connection to the horn has a holding plate-like extension,
— mit als Ringe ausgebildeten piezokeramischen Wandlerelementen, die zentrisch auf den Bolzen aufgesetzt sind, wobei die Wandlerelemente über den Bolzen hinweg gegen die halteplattenartige Erweiterung gedrückt sind.- With piezoceramic transducer elements designed as rings that are centered on the bolt are placed, the transducer elements across the bolt against the retaining plate-like Extension are depressed.
Ölheizungskesselanlagen arbeiten bei kleiner werdenden Einheiten unwirtschaftlich, da die Brennerleistung bei üblicher Düsenzerstäubung nicht unter Durchsatzmengen von 2 I pro Stunde absenkbar ist. Noch kleinere Durchsatzmengen wurden sehr kleine Düsenöffnungen bedingen, die schuizempfindlich und damit zu störungsanfällig wären.Oil-fired boiler systems work uneconomically with shrinking units, because of the burner output with conventional nozzle atomization cannot be reduced below throughput rates of 2 l per hour. Even smaller throughput quantities would require very small nozzle openings that were sensitive to and sensitive to fire would thus be too susceptible to failure.
Zu kleineren Öl- oder Flüssigkeitsdurchsätzen kann man mit einem piezoelektrischen Schwingsystem gelangen, wie es aus der DK-AS 20 32 433 bekannt ist. Ein solches piezoelektrisches Schwingsystem besteht aus einer Platte, die an ihrer Rückseite mit einem piezoelektrischen Wandierelement verklebt ist und dieA piezoelectric oscillating system can be used to achieve smaller oil or liquid throughputs as it is known from DK-AS 20 32 433. Such a piezoelectric oscillating system exists from a plate which is glued to a piezoelectric transducer element on its rear side and which
an ihrer Vorderseite ein Horn und einen Biegeteller zum Versprühen der Flüssigkeit aufweisen. Die Flüssigkeit wird über das Horn hindurch dem Biegeteller zugeführt. Die Halterung eines derartigen Schwingsystems erfolgt über Zentrierstifte, die mit einer Art Spitzenlagerung die Platte einspannen. Ein sdche Halterung ist beispielsweise in der VDI-Zeitschrift, Band 108, Nr. 34, Dez. 66, S. 1674, darstellt.have a horn and a bending plate for spraying the liquid on their front side. The liquid is fed through the horn to the bending plate. Such a vibration system is held Via centering pins that clamp the plate with a kind of point bearing. A sdche bracket is for example in the VDI-Zeitschrift, Volume 108, No. 34, Dec. 66, p. 1674.
Es hat sich gezeigt, daß derartige piezoelektrische Schwingsysteme anfällig sind, da die empfindliche Spitzenhalterung beim Betrieb wenig stabil ist und da die Klebung wegen der dynamischen und thermischen Belastung anfällig ist Weiterhin weist das bekannte Schwingsystem nur mäßig gute Wirkungsgrade auf.It has been shown that such piezoelectric oscillating systems are susceptible because the sensitive Tip holder is not very stable during operation and there is the bond because of the dynamic and thermal Load is susceptible Furthermore, the known oscillating system has only moderately good efficiencies.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber zu schaffen, der mechanisch stabil ist und einen guten Wirkungsgrad aufweistIt is an object of the invention to provide a piezoelectric liquid atomizer that mechanically is stable and has a good efficiency
Die gestellte Aufgabe ist bei einem piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßThe task at hand is for a piezoelectric liquid atomizer of the type mentioned at the beginning according to the invention solved in that
— der mit einem Gewinde versehene Bolzen im Bereich der ringförmigen Wandlerelemente wenigstens durch Entfernen der Gewindegänge eine Querschnittsverminderung aufweist,- the threaded bolt in the Area of the annular transducer elements at least by removing the threads Has a reduction in cross-section,
— eine als Mutter ausgebildete Druckplatte die ringförmigen Wandlerelemente gegen die halteplattenartige Erweiterung drückt,- A pressure plate designed as a mother presses ring-shaped transducer elements against the retaining plate-like extension,
— der Gewindebolzen am hinteren Ende bis zur Aufnahme einer auf ihn in einem Schwingungsknoten aufgeschraubten Halterung verlängert und der Bolzen zum Zuführen von Zerstäuberflüssigkeit bis zum Biegeteller durchbohrt ist- the threaded bolt at the rear end up to the inclusion of one on it in a vibration node The screwed-on bracket is extended and the bolt for supplying atomizing liquid up is pierced to the bending plate
Ein derartiger piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäu-Such a piezoelectric liquid atomizer
ij ber ist mechanisch stabil, da er auf dem durchgehenden Gewindebolzen aufgebaut ist Der Gewindebolzen dient zunächst zum Zusammenhalten aller Zerstäuberteile, wie Haltepialte, Wandlerelementen, Druckplatte, Abschirmung und Halterung. Außerdem gibt der Gewindebolzen die Möglichkeit, eine für keramische Wandlermaterialien kritische Zugbelastung im Schwingbetrieb durch eine entsprechend hohe Vorspannkraft zu vermeiden, indem die als Mutter ausgebildete Druckplatte die Wandlerelemente mit der gewünschten Vorspannkraft gegen die Halteplatte drückt. Da die Gewindegänge mindestens im Bereich der Wandler elemente bis auf den Bolzenkern entfernt sind, vergrößert sich der Wirkungsgrad des Zerstäubers. Der Bolzen wirkt nämlich hier als an sich unerwünschte Parallelfeder. Die Querschnittsverminderung erhöht jedoch die Formelastizität dieser Feder (kleinere Federkonstante) und reduziert somit ihren Einfluß. Hinzu kommt noch, daß die mechanische Festigkeit steigt Dies beruht darauf, daß in den Gewindegängen unter den Wandler-ij ber is mechanically stable because it is on the continuous The threaded bolt is built up The threaded bolt is initially used to hold all atomizer parts together, such as retaining pins, transducer elements, pressure plate, shield and bracket. There is also the threaded bolt the possibility of a critical tensile load for ceramic transducer materials in vibration operation to be avoided by a correspondingly high preload force by removing the pressure plate, which is designed as a nut presses the transducer elements against the retaining plate with the desired pretensioning force. Since the Threads are removed at least in the area of the converter elements except for the bolt core, enlarged the efficiency of the atomizer. The bolt acts here as a parallel spring which is undesirable per se. However, the reduction in cross-section increases the elasticity of this spring (smaller spring constant) and thus reduces their influence. In addition, the mechanical strength increases This is based ensure that in the threads under the converter
■>5 elementen bei der Montage und im Schwingbetrieb Torsions- bzw. Kerbspannungen entstehen würden, die beim Entfernen der Gewindegänge entfallen.■> 5 elements during assembly and in vibration mode Torsional or notch stresses would arise that would be omitted when removing the threads.
Die bisherige vorderseitige Spitzenlagerung ist in eine rückwärtige Schraubhalterung überführt. EineThe previous tip mounting on the front has been transferred to a rear screw mount. One
μ solche rückwärtige Schraubhalterung ist unempfindlich und dauerhaft; sie wird möglich durch die Einführung des zweiten Schwingungsknotens im Angriffsbereich der Halterung am Gewindebolzen.μ such rear screw mount is insensitive and permanent; it is made possible by the introduction of the second vibration node in the attack area the bracket on the threaded bolt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung istAccording to a further embodiment of the invention is
*>"> im Aufschraubbereich der Halterung eine sich über die Wandlerelemente hinweg erstreckende Abschir.nung festgesetzt. Die Abschirmung dient dem mechanischen Schlitz der Wandlerelemente bei der Montage und evtl. *>"> in the screw-on area of the bracket, a shielding that extends over the transducer elements is fixed. The shielding serves as a mechanical slot for the transducer elements during assembly and, if necessary,
der Aufnahme weiterer Bauteile, wie z. B. Stauscheibe, Zündelelektroden und Justiervorrichtungen.the inclusion of other components, such as B. baffle plate, Ignition electrodes and adjusting devices.
Es ist an sich bekannt, ein ringscheibenförmiges piezoelektrisches Wandlerelement auf einen Zylinderstutzen aufzusetzen, der nach hinten über das ·> Wandlerelement hinaus verlängert ist Dieser Stutzen taucht in einen Brennstoffbehälter und dient als Ansaugoder Pumpstutzen, Die Halterung erfolgt jedoch im Bereich der Halteplatte mit Zentrierstiften.It is known, set up a ring disk-shaped piezoelectric transducer element on a cylinder neck which is extended to the rear over the ·> transducer element addition, this nozzle submerged in a fuel tank and serves as the intake or exhaust tube, however, the holder takes place in the region of the holding plate with centering pins.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the embodiment shown in the drawing shows
F i g. 1 einen Schnitt durch den Zerstäuber undF i g. 1 shows a section through the atomizer and
F i g. 2 eine Schaltung des Zerstäuberoszillators.F i g. 2 shows a circuit of the atomizer oscillator.
Der Zerstäuber nach der Erfindung ist auf einem Gewindebolzen 1 aufgesetzt Einstückig mit dem Gewindebolzen 1 sind verbunden eine Halteplatte 3, ein Horn 5 und der Biegeteller 7. Die Teile 1 bis 7 werden vorzugsweise aus Vollmaterial herausgedreht Aus das Gewinde 9 des Bolzens 1 sind zwei als Schwingplatten 11 dienende piezokeramische Ringe aufgeschoben. Zwischen den piezokeramischen Ringen liegt eine ringförmige Kupferberylliumelektrode 13.The atomizer according to the invention is placed on a threaded bolt 1 in one piece with the Threaded bolts 1 are connected to a holding plate 3, a horn 5 and the bending plate 7. The parts 1 to 7 are preferably turned out of solid material. Two of the thread 9 of the bolt 1 are used as oscillating plates 11 serving piezoceramic rings pushed on. There is one between the piezoceramic rings annular copper beryllium electrode 13.
Mit Hilfe einer als Mutter ausgebildeten Druckplatte 15 werden die Ringe 11 und die Elektrode 13 gegen die Halteplatte 3 gepreßtWith the help of a pressure plate 15 designed as a nut, the rings 11 and the electrode 13 are against the Holding plate 3 pressed
Auf den nach hinten verlängerten Bolzen 1 ist in einem bestimmten Abstand hinter der Druckplatte 15 ein Abschirmgehäuse 17 mit einem Bodenteil 20 aufgeschraubt Eine als Mutter ausgebildete Halterung m 19 legt das Abschirmgehäuse 17 auf dem Bolzen 1 über sein Bodenteil 20 durch Kontern fest Die Halterung 19 ist ihrerseits am rückwärtigen Ende mit einem Gewindestutzen 25 versehen, mit dem der Zerstäuber in einen Düsenstock eingeschraubt ist Auf den Gewinde- J5 stutzen 25 sind noch zwei Isolierringe 27 aufgeschoben, welche der Abschirmung dienen.On the extended rearwardly bolt 1 is in a certain distance behind the pressure plate 15, a shield case 17 with a bottom part 20 screwed designed as a nut mount m 19 applies the shield case 17 on the pin 1 via its bottom part 20 by locking the mounting device 19 is in turn provided at the rear end with a threaded connector 25 with which the atomizer is screwed into a nozzle holder. Two insulating rings 27 are pushed onto the threaded connector 25, which serve as shielding.
In den Bolzen 1, der mit einer durchgehenden Bohrung 21 versehen ist, ist von hinten ein Röhrchen 23 eingeschoben. Das Röhrchen ist mit ihm verlötet oder verschweißt Das Röhrchen 23 greift durch den Gewindestutzen 25 hindurch nach außen.In the bolt 1, which is provided with a through hole 21, there is a tube 23 from behind inserted. The tube is soldered or welded to it. The tube 23 reaches through the Threaded connector 25 through to the outside.
Der Gewindebolzen 1 ist im Bereich der piezokeramischen Ringe 11 mit einer Querschnittsverminderung 31 versehen. Diese Querschnittsverminderung ist durch das Entfernen der Gewindegänge im Bereich der Ringe 11 entstanden.The threaded bolt 1 has a cross-sectional reduction 31 in the area of the piezoceramic rings 11 Mistake. This cross-sectional reduction is due to the removal of the threads in the area of the rings 11 developed.
Der Zerstäuber weist zwei Schwingungsknoten auf. Der eine Schwingungsknoten liegt auf dem Gewindebolzen im Bereich der Halteplatte 3, und der zweite w Schwingungsknoten befindet sich auf dem Gewindebolzen im Aufschraubbereich der Halterung 19 und des Bodens 20 der Abschirmung 17. Um eine möglichst gute Bitkopplung der Knotenpunkte 33 und 35 zu erhalten, sollte der Bolzen !-, der die piezokeramischen Ringe, das Horn und den Biegeteller trägt, möglichst dünn ausgebildet sein.The atomizer has two nodes. One vibration node lies on the threaded bolt in the area of the retaining plate 3, and the second w vibration node is on the threaded bolt in the screwing-on area of the holder 19 and the base 20 of the shield 17. In order to achieve the best possible To get bit coupling of nodes 33 and 35, the bolt! Horn and the bending plate carries, be made as thin as possible.
Die in F i g. 2 dargestellte Oszillatorschaltung soll bewirken, daß der Zerstäuber auf seiner Arbeitsfrequenz mit möglichst großer Amplitude schwingt. Der M) Zerstäuber kann als komplexer Zweipol betrachtet werden, der neben der zum Zerstäuben vorgesehenen Resonanzstelle ebenfall.; unerwünschte, üblicherweise höherfreiiuente Nebenresonanzen hat. Die Schaltung "st so ausgebildet, daß sich die Frequenz als Betriebsfrequenz einstellt, bei der die Zerstäuberimpedar.z reell ist Das bedeutet, daß Strom und Spannung am Wandler in Phase sind. Unerwünschte Rssonanzstellen werden durch einen Bandpaß in der Rückkopplungsleitung unterdrückt Die Rückkopplungsspannung wird um so größer, je größer der Strom durch den Zerstäuber wird. Um diese Bedingungen zu erfüllen, besteht die Schaltungsanordnung aus einer Leistungsverstärkerstufe mit zwei Komplementär-Leistungstransistoren 101 und 103, die über einen Transformator 105 den Zerstäuber 107 mit rechteckförmiger Wechselspannung ansteuern. Der Ausgangswiderstand der Schaltungsanordnung ist so klein, daß sie als eingeprägte Spannungsquelle dient Die Amplitude der Wechselspannung am Wandler hängt abThe in F i g. The oscillator circuit shown in FIG. 2 is intended to cause the atomizer to oscillate at its operating frequency with the greatest possible amplitude. The M) atomizer can be viewed as a complex two-pole, which, in addition to the resonance point intended for atomization, is also the same. unwanted, usually higher free i uente secondary resonances. The circuit is designed so that the frequency is set as the operating frequency at which the atomizer impedance is real. This means that the current and voltage at the converter are in phase the greater the current through the atomizer. To meet these conditions, the circuit arrangement consists of a power amplifier stage with two complementary power transistors 101 and 103, which control the atomizer 107 with square-wave AC voltage via a transformer 105. The output resistance of the circuit arrangement is so small that it serves as an impressed voltage source. The amplitude of the alternating voltage at the converter depends on
a) von der Versorgungsgleichspa· '.lur.g der Schaltung unda) from the DC supply voltage of the circuit and
b) vom Obersetzungsverhältnis des Transformators.b) the transformation ratio of the transformer.
Die Leistungsverstärkerstufe wird von einem Treibertransistor 109 in Emitterschaltung angesteuert Dabei werden die Transistoren 101 und 103 als Schalter verwendet An die Basis 111 des Treibertransistors 109 gelangt eine Rückkopplungsspannung über eine Leitung 113. Die Rückkopplungsspannung wird dem Sekundärkreis 115 des Transformators 105 entnommen, und zwar als Spannungsabfall über einen gegenüber dem elektrischen Widerstand des Zerstäuberzweipols sehr kleinen Widerstand 117. Die Rückkopplungsspannung ist deshalb ein Maß für den Wechselstrom durch den Zerstäuberzweipol. Ein bedampfter Serienresonanzkreis 119 (eine Induktivität in Reihe mit einer Kapazität 121 und einem Widerstand 122) in der Rückkopplungsleitung 113 wirkt als Bandpaß und dient zum Unterdrücken von unerwünschten Nebenresonanzen.The power amplifier stage is controlled by a driver transistor 109 in an emitter circuit Here, the transistors 101 and 103 are used as switches to the base 111 of the driver transistor 109 A feedback voltage passes through a line 113. The feedback voltage becomes the secondary circuit 115 of the transformer 105 removed, namely as a voltage drop across a compared to the electrical resistance of the atomizer bipolar very small resistance 117. The feedback voltage is therefore a measure of the alternating current through the atomizer bipolar. A steamed series resonance circuit 119 (an inductance in series with a capacitance 121 and a resistor 122) in the feedback line 113 acts as a bandpass filter and is used for Suppression of unwanted secondary resonances.
Durch Verstimmen des Resonanzkreises 119,121,122 kann die Stromaufnahme und damit die mechanische Auslenkung des Zerstäubers beeinflußt werden.By detuning the resonance circuit 119, 121, 122 the power consumption and thus the mechanical deflection of the atomizer can be influenced.
Wegen der eingeprägten Spannung ist die Gesamtstromaufnahme der Oszillatorschaltung ein Maß für den Betriebszustand des Zerstäubers. Sie kann z. B. zur Steuerung eines Ventils herangezogen werden.Because of the impressed voltage, the total current consumption of the oscillator circuit is a measure of the operating state of the atomizer. You can z. B. can be used to control a valve.
Bauteilwerte des ausgeführten Schaltungsbeispieles:Component values of the executed circuit example:
117:
119: 9mH
121: 1 nF
122: 330 Ω
125: 1 kO
12«: 18 kn
127: 270 Ω
128: 3,3 kΩ
129: 3,3 kfi
130: t Ω; 1 W
131: 1 μΓ
132: 1,5 μΡ117:
119: 9mH
121: 1 nF
122: 330 Ω
125: 1 knockout
12 ": 18 kn
127: 270 Ω
128: 3.3 kΩ
129: 3.3 kfi
130: t Ω; 1 w
131: 1 μΓ
132: 1.5 µΡ
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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